Разработка рецептур и компаундирование моторных топлив

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Российской Федерации

НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Институт природных ресурсов

Направление 241000Энерго и ресурсосберегающие процессы в химической технологии, нефтехимии и биотехнологии

Кафедра Химической технологии топлива и химической технологии

Курсовая робота

Разработка рецептур и компаундирование моторных топлив

Студент

Аматова Б.К.

Руководитель

Киргина М.В.

Томск 2015 г.



Содержание

бензин октановый углеводородный химический

Введение

1. Определение бензина

1.1 Требования к качеству автомобильных бензинов

2. Физико-химические и эксплуатационные свойства автомобильных бензинов

2.1 Детонационная стойкость

2.2 Испаряемость бензина

2.3 Химический и углеводородный состав

2.4 Вязкость и плотность

2.5 Химическая стабильность

2.6 Коррозионная активность и защитные свойства

2.7 Совместимость с неметаллическими материалами: резинотехническими изделиями, уплотнениями, фильтрующими элементами и т.д.

3. Марки и ГОСТы

4. Практическая часть

Заключение

Литература



Введение

Суммарное мировое потребление моторных топлив составляет около 1,75 млрд т/год, в том числе на долю автомобильных бензинов приходится более 800 млн т/год.

Еще недавно считалось, что моторное топливо нефтяного происхождения будет активно вытесняться альтернативными видами топлива: сжиженным нефтяным газом, сжатым и сжиженным природным газом, спиртами, водородом и др.

Однако освоение альтернативных видов топлив встречает определенные технические и экономические трудности, поэтому есть уверенность, что жидкое топливо нефтяного происхождения останется на ближайшие десятилетия основным как для двигателей с искровым зажиганием, так и для дизельных двигателей.

Ассортимент и качество вырабатываемых и применяемых бензинов определяются структурой автомобильного парка страны, техническими возможностями отечественной нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности, а также экологическими требованиями, которые в последнее время стали определяющими.

Отрицательное влияние выбросов автотранспорта на окружающую среду приводит к необходимости ужесточать нормы на состав отработавших газов автомобилей.

Современный автомобильный бензин должен удовлетворять требованиям, обеспечивающим экологичную и надежную работу двигателя:

* иметь хорошую испаряемость, позволяющую получить однородную топливовоздушную смесь оптимального состава при любых температурах;

* иметь групповой углеводородный состав, обеспечивающий устойчивый, бездетонационный процесс сгорания на всех режимах работы двигателя;

* не изменять своего состава и свойств при длительном хранении и не оказывать вредного воздействия на детали топливной системы, резервуары, резинотехнические изделия и т.п.

Цель данного проекта -- ознакомиться с общими сведениями, технологиями производства и оценками качества автомобильных бензинов, научиться опытным путём определять некоторые показатели бензина, их состав, октановое число и марку.

В отчете представлены сведения о физико-химических свойствах бензинов, описание эксплуатационных свойств автомобильных бензинов и особенностей их применения.



1. Определение бензина

Хотелось бы начать с того, что бензин - это определенного рода смесь, которая состоит из углеводородов, которые были получены при нагревании начального вещества, то есть нефти от 30 до 200 градусов Цельсия.

Бензин применяется как топливо для карбюраторных и инжекторных двигателей, высоко-импульсное ракетное топливо (Синтин), при производстве парафина, как растворитель, как горючий материал, сырье для нефтехимии прямогонный бензин или бензин газовый стабильный (БГС).

Автомобильные бензины подразделяются на летние и зимние (в зимних бензинах содержится больше низкокипящих углеводородов).

Производство бензина.

Бензин получают за счет переработке нефти, природного газа, газового конденсата, торфа, угля, горючих сланцев, и синтезом из водорода и окиси углерода. Больше 20% нефти, которую добывают во всем мире, перерабатывают в бензин.

В нашей стране все товарные бензины создаются из газоконденсатов и нефти. Газовый бензин получают на специальных газоперерабатывающих заводах благодаря выделению жидких углеводородов из газов. Такой бензин имеет отличные пусковые характеристики и при добавлении в малых количествах в товарные бензины могут улучшать их свойства эксплуатации. Современный бензин получают путем смешения компонентов, которые получаются за счет каталитического риформинга, прямой перегонки и каталитического крекинга, полимеризации, алкилирования, изомеризации и других процессов по переработке газа и нефти.

Качество компонентов, которые используются для создания каких-либо марок товарных бензинов, сильно различается и напрямую зависит от возможностей предприятия с технологической точки зрения. Товарные бензины аналогичных марок, но созданные на разных нефтеперерабатывающих заводах, будут отличаться фракционным и компонентным составом, это связано с различием перерабатываемого сырья и технологических процессов на каждом нефтеперерабатывающем предприятии.

И даже бензины одинаковых марок, созданные одним заводом в различное время, могут иметь разный компонентный состав из-за проведения регламентных работ на конкретных технологических установках, изменения программы завода по выпуску продукции и состава сырья.

Но во всех случаях должна быть соблюдена технология получения товарных бензинов на конкретном предприятии, это - обязательное требование технических условий и стандартов на бензины.

Этапы переработки.

Нефтеперерабатывающее производство, в результате которого получают бензин, состоит из трех основных этапов:

*первичная переработка нефти: осуществляется разделение сырой нефти на отдельные фракции, каждая из которых отличаются температурой кипения.

* вторичная переработка: осуществляется обработка фракций, которые были получены после первого этапа. На данной стадии получаются "товарные" нефтепродукты.

* товарное производство: разные фракции должны пройти дополнительную очистку и, если это необходимо, обогащаются присадками, увеличивающими октановое количество топлива.

Бензин, получаемый из нефти простой перегонкой (такой бензин называется прямогонным), имеет низкое октановое число - в пределах 41-56, поэтому сейчас такой бензин не используется. Для повышения октанового числа используют более современные методы переработки нефти (термический и каталитический крекинг, риформинг, компаундирование).

Компаундирование бензинов - это:

* производство товарных бензинов из сырья (нетоварных бензинов) методом вовлечения в его состав добавок и компонентов в заданных объёмах согласно ТУ и соответствующие требованиям ГОСТ Р 51313;

* повышение октанового числа товарных бензинов методом вовлечения в состав товарных бензинов добавок и компонентов в заданных объёмах согласно ТУ и соответствующие требованиях ГОСТ Р 51313.

В низкооктановый бензин добавляют антидетонационные добавки (присадки), все это тщательно смешивают и в качестве готовой продукции получают высокооктановый бензин А-95, А-96 и А-98. Это надежная технология. Все заводы работают стабильно и получают значительную прибыль от продажи высокооктанового смесевого бензина.

1.1 Требования к качеству автомобильных бензинов

Требования, предъявляемые к качеству современных автомобильных бензинов, подразделяют на четыре группы:

1. От производителей автомобилей для обеспечения нормальной работы двигателя;

2. От производителей бензинов, обусловленные возможностями нефтеперерабатывающей промышленности;

3. Связанные с транспортированием и хранением автомобильных бензинов;

4. Экологические.

Требования, которые предъявляют производители двигателей с искровым зажиганием к качеству применяемых бензинов: сжигание бензина в смеси с воздухом в камере сгорания должно происходить с нормальной скоростью без возникновения детонации на всех режимах работы двигателя в любых климатических условиях. Это требование устанавливает нормы на детонационную стойкость бензина. Необходимо, чтобы бензин имел высокую теплоту сгорания, минимальную склонность к образованию отложений в топливной и впускной системах, а также нагара в камере сгорания. Продукты сгорания не должны быть токсичными и коррозионно-агрессивными. Испаряемость бензинов должна обеспечивать приготовление горючей смеси при любых температурах эксплуатации двигателей. Это требование регламентирует такие свойства и показатели качества бензина, как фракционный состав, давление насыщенных паров, склонность к образованию паровых пробок. Производство автомобильных бензинов осуществляется на сложном комплексе различных технологических процессов переработки нефти.

Требования к качеству вырабатываемых автобензинов, обусловленные техническими возможностями отечественной нефтепереработки, накладывают ограничения на показатели фракционного и углеводородного состава, содержание серы и различных антидетонаторов. Условия массового производства требуют обеспечения возможности использования нефтяного сырья с возможно более широким варьированием по углеводородному и фракционному составам и содержанию различных сернистых соединений, что определенным образом влияет на установление норм в спецификациях на соответствующие показатели качества бензинов. В целях увеличения выхода бензина из перерабатываемого нефтяного сырья производство заинтересовано в повышении температуры конца кипения, а эффективное использование бензина в двигателе возможно при определенном ограничении содержания высококипящих фракций. Нормы на показатель детонационной стойкости устанавливаются на уровне, достижимом с использованием имеющихся технологических процессов, компонентов и присадок, допущенных к применению в составе бензинов.

Требования производителей автомобилей очень часто идут вразрез с требованиями нефтепереработчиков, и в этих случаях необходимо определить оптимальный экономически целесообразный уровень этих требований. Примером такого компромисса является октановый индекс, характеризующий детонационную стойкость американских автобензинов. Автомобилестроители США предлагали внести в спецификации оценку октанового числа бензина по исследовательскому методу, а нефтепереработчики по моторному методу. В результате в спецификацию был внесен показатель, равный полусумме октановых чисел по исследовательскому и моторному методам. Требования, связанные с транспортированием и хранением бензинов, обусловлены необходимостью сохранения их качества в течение нескольких лет.

Автомобильный бензин с завода изготовителя по существующим продуктопроводам, железнодорожным, водным и автомобильным транспортом подается на крупные региональные перевалочные нефтебазы. С этих баз хранения бензин поступает на нефтебазы, снабжающие автозаправочные станции (АЗС), а далее автомобильными цистернами на АЗС. Транспортирование, хранение и применение бензина непосредственно на автомобилях осуществляются в различных климатических условиях при температуре окружающего воздуха от -- 50 до + 45 °С, при этом необходимо обеспечить нормальную работу двигателя.

Требования, связанные с транспортированием и хранением, регламентируют такие свойства автобензина, как физическая и химическая стабильность, склонность к потерям от испарения и образованию паровых пробок, растворимость воды, содержание коррозионно агрессивных соединений и т. д. На длительное хранение, как правило, поступают бензины летнего вида с высокой химической стабильностью (индукционный период не менее 1200 мин).

Воздействие бензинов на окружающую среду при применении их на автомобильной технике связано с токсичностью соединений, попадающих в 9 атмосферный воздух, воду, почву непосредственно из топлива (испарения, утечки) или с продуктами его сгорания. Источниками токсичных выбросов автомобилей являются отработавшие газы, картерные газы и пары топлива из впускной системы и топливного бака. Отработавшие газы содержат оксид углерода, оксиды азота, серы, несгоревшие углеводороды и продукты их неполного окисления, элементарный углерод (сажа), продукты сгорания различных присадок, например оксиды свинца и галогениды свинца при использовании этилированных бензинов, а также азот и неизрасходованный на сгорание топлива кислород воздуха. Для уменьшения выбросов вредных веществ современные автомобили оснащают каталитическими системами нейтрализации отработавших газов, позволяющими дожигать несгоревшие углеводороды и оксид углерода до С02, а оксиды азота -- восстанавливать до азота. Экологические свойства бензинов обеспечиваются ограничениями по содержанию отдельных токсичных веществ по групповому углеводородному составу по содержанию низкокипящих углеводородов, а также серы и бензола.

Эти ограничения позволяют обеспечить надежную работу каталитической системы нейтрализации ОГ и способствуют уменьшению воздействия автомобильного парка на загрязнение окружающей среды.

В связи с присоединением России к европейским экологическим программам возникла острая необходимость в организации промышленного производства автомобильных бензинов, соответствующих европейским требованиям (EN228).

В соответствии с одобренной в 2002 году правительством России концепцией развития российской автомобильной промышленности до 2010 года, отечественный автопром должен до 2004 года организовать производство двигателей, отвечающих по токсичности выбросов с отработавшими газами требованиям Евро 2 и Евро 3, а к 2008 году Евро 4.

С 2002 года все нефтеперерабатывающие заводы России перешли исключительно на производство неэтилированных бензинов. В марте 2003 года Президент РФ подписал Федеральный закон «О запрете производства и оборота этилированного автобензина в Российской Федерации» с 01.06.2003 г. Применение неэтилированных автомобильных бензинов, вырабатываемых по ГОСТ Р 51105 97, позволяет обеспечить выполнение автомобилями норм Евро 2 на выбросы с отработавшими газами, а бензинов, вырабатываемых по ГОСТ Р 51866 2002, -- норм Евро 3.

Технология производства бензинов для автомобилей, отвечающих требованиям Евро 3 и Евро 4, должна гарантировать установленные нормы на содержание серы, ароматических и олефиновых углеводородов и бензола.



2. Физико-химические эксплуатационные свойства автомобильных бензинов

Физико-химические свойства автомобильных бензинов и регулировочные параметры двигателей должны быть тщательно увязаны друг с другом. К основным характеристикам автомобильных бензинов относят: детонационную стойкость, испаряемость (фракционный состав и давление насыщенных паров), плотность, углеводородный состав.

2.1 Детонационная стойкость

Одним из основных показателей качества автомобильных бензинов является их детонационная стойкость, от которой в наибольшей степени зависят надежность, повышение мощности, экономичность и продолжительность эксплуатации двигателя автомобиля. Разработка методов оценки антидетонационных свойств бензинов началась в 1918--1919 гг. почти одновременно с изучением явления детонации в двигателях, когда Г. Рикардо создал двигатель с переменной степенью сжатия и предложил оценивать топливо значением степени сжатия, при котором двигатель развивает максимальную мощность. Этот показатель был назван наивысшей полезной степенью сжатия. Дальнейшие исследования показали несостоятельность метода, так как значение наивысшей полезной степени сжатия не только не оставалось постоянным при переходе на другой двигатель, но изменялось даже при работе на одном и том же двигателе в зависимости от условий окружающей среды. 13 Позже был разработан метод оценки детонационной стойкости топлива с помощью топливных эквивалентов, основанный на сравнении антидетонационных качеств испытуемого топлива с антидетонационными свойствами некоторых определенных видов топлива, принятых за эталон. В качестве эталонных видов топлива выбирались два: одно из которых детонирует слабо, а другое -- сильно, с таким расчетом, что все виды топлива, подлежащие испытанию, по своей склонности к детонации находились между выбранными эталонами. За величину, характеризующую антидетонационные качества топлива, было принято процентное содержание слабодетони рующего топлива в эталонной смеси, эквивалентной по детонационной стойкости исследуемому образцу. Введение сравнительной оценки антидетонационных свойств бензина дало возможность оценивать эти качества с помощью некоторой условной единицы, а также контролировать антидетонационные качества топлива на специальных одноцилиндровых моторных установках, что существенно упростило испытания.

Сравнительные испытания проводили на разнообразных установках (двигателях) и при различных режимах работы. В качестве эталонных топлив применяли бензол, толуол, спирт, которые смешивали с каким либо легко детонирующим бензином. Однако такие эталоны не позволяли получать удовлетворительные результаты, так как условия работы двигателя на бензоле, толуоле и спирте значительно отличаются от условий работы на товарных бензинах. Кроме того, при использовании в качестве легко детонирующего эталона промышленного бензина невозможно повсеместно обеспечить строгое постоянство его антидетонационных качеств. Накопленный опыт показал, что относительное расположение топливо по антидетонационным свойствам неявляется постоянным, а зависит в значительной степени от режима работы испытательной установки, метод сравнения топлива с эталоном, состава сравниваемых видов топлива и т. д. В связи с этим возникла необходимость установить единую единицу измерения, оценивающую антидетонационные качества топлив, а также разработать единообразные условия испытания.В качестве эталонного топлива стали применять химически чистые углеводороды -- сильно детонирующий нормальный гептан и слабо детонирующий изооктан (2,2,4 триметилпентан) и их смеси, удовлетворяющие основным требованиям к эталонному топливу: постоянный состав и возможность получения идентичного качества; длительный срок хранения; антидетонационные свойства, охватывающие весь диапазон бензинов; близость условий сгорания в двигателе к условиям сгорания товарных бензинов. В качестве показателя антидетонационных свойств бензинов, получившего название «октановое число», было принято содержание изооктана в смеси с нормальным гептаном, которая эквивалентна по своим антидетонационным качествам испытуемому топливу. Октановое число химически чистого нормального гептана принято за 0, а октановое число химически чистого изооктана -- за 100. Составляя смеси изооктана с нормальным гептаном в объемных процентах, можно получить эталонные смеси с детонационной стойкостью от 0 до 100 единиц. Изза трудности подбора эталонного топлива, идентичного испытуемому, ограничились подбором двух эталонных смесей с таким расчетом, чтобы испытуемое топливо по своей детонационной стойкости лежало между ними.

При условии, что детонационная стойкость подобранных смесей близка, эквивалентная смесь может быть найдена расчетом, исходя из 14 пропорциональности между изменением октанового числа эталонов и показаниями прибора, регистрирующего детонацию. Применение такой методики вызвало необходимость измерения интенсивности детонации. Основное требование, предъявленное к способу оценки интенсивности детонации при сравнении топлив, заключается в простоте измерения и получения отсчета непосредственно во время испытаний. Как известно, работа двигателя с детонацией сопровождается появлением стука, а также резким повышением давления в конце сгорания. Именно эти явления были использованы для измерения интенсивности детонации. Детонационную стойкость автомобильных бензинов определяют на одноцилиндровых установках УИТ 85 (УИТ 65) отечественного производства и установках фирмы «Вокеша» (США). Появившиеся в последнее время в России различные «октанометры» отечественного и зарубежного производства, работающие на принципах измерения диэлектрической проницаемости, углеводородного состава и др., не имеют ничего общего с моторными установками, на которых определяют октановые числа бензинов. В технологических процессах на нефтеперерабатывающих заводах целесообразно использовать различные индикаторы косвенной оценки детонационной стойкости компонентов, но определение октановых чисел товарных бензинов следует определять только на моторных установках. Длительное время показателем детонационной стойкости автомобильных бензинов было октановое число, определяемое по моторному методу. Однако на практике было установлено, что октановое число по моторному методу коррелирует с детонационными требованиями полноразмерных двигателей при работе на максимальных мощностях и напряженном 15тепловом режиме и недостаточно полно отражает всю характеристику детонационной стойкости автобензинов в условиях эксплуатации.

В связи с этим был разработан исследовательский метод определения октановых чисел, который характеризует детонационную стойкость автомобильных бензинов в условиях работы двигателя на частичной нагрузке и меньшей тепловой напряженности (движение по городу). Разница между октановыми числами по исследовательскому методу и моторному методу одного и того же бензина называется чувствительностью. Чем меньше чувствительность, тем лучше антидетонационные свойства бензина. Например, один бензин АИ 95 имеет октановое число по исследовательскому методу (и. м.) 95 ед., а по моторному методу (м. м.) -- 86 ед., а второй бензин 95,6 ед. по и. м. и 85 ед. по м. м. Чувствительность в первом случае меньше и, следовательно, антидетонационные свойства его лучше.Даже если бензин имеет соответствующие стандарту или техническим условиям значения октановых чисел по моторному и исследовательскому методам, есть вероятность того, что антидетонационная характеристика бензина не в полной мере отвечает требованиям двигателя. Соответствие качества бензина и требований двигателя оценивается сопоставлением фактических октановых чисел при стендовых испытаниях двигателя на установившихся режимах и дорожных октановых чисел на режимах разгона автомобиля с требованиями двигателей к октановым числам на этих режимах. Методы оценки этих показателей соответствия регламентированы стандартом и введены в комплекс методов квалификационной оценки. Повышение детонационной стойкости бензина также уменьшает вероятность самопроизвольного 16 воспламенения рабочей смеси. Источниками воспламенения могут служить перегретые выпускные клапаны, свечи, кромки прокладок, тлеющие частицы нагара и т. п. Это явление, нарушающее нормальный процесс сгорания, получило название калильного зажигания. Наиболее опасно преждевременное воспламенение (до момента подачи искры), так как оно приводит к снижению мощности, ухудшению экономичности, повышению риска возникновения детонации. Вероятность возникновения преждевременного воспламенения зависит от склонности топлива к образованию нагара в камере сгорания двигателя и свойств образующегося нагара.

При сгорании бензинов, содержащих металлоорганические антидетонаторы и большое количество ароматических углеводородов, вероятность появления калильного зажигания и преждевременного воспламенения очень высока. Некоторые автолюбители для повышения октанового числа бензина добавляют в него нафталин. Действительно, имеются зарубежные патенты, в которых описано использование во впускной системе двигателя «патронов» с нафталином для борьбы с детонацией при разгонах и на высоких скоростях движения автомобиля. Как известно, нафталин возгоняется, и воздух, проходящий через «патрон», насыщается парами нафталина.

Чем выше скорость воздуха, тем больше поступает в газообразном виде нафталина в двигатель и снижается вероятность появления детонации. Однако применять нафталин, растворяя его в бензине, не имеет смысла, так как при понижении температуры топлива он будет образовывать кристаллы, которые могут забивать фильтры. Кроме того, нафталин способствует нагарообразованию в камере сгорания. Подавлять детонацию в двигателе можно с помощью впрыска воды. Подача воды в двигатель как 17способ предотвращения возникновения детонации является одним из наиболее известных и доступных направлений. Механизм действия воды на процессы смесеобразования и рабочий процесс двигателя достаточно известен и изучен. Он связан прежде всего с охлаждением заряда рабочей смеси и деталей цилиндрово поршневой группы, и таким образом вода понижает требования двигателя к октановому числу применяемого бензина. Вода не участвует непосредственно в процессе сгорания, но она имеет высокую теплоту испарения 530 ккал/кг, а бензин -- 80 ккал/кг, и ее пары, обладая большой теплоемкостью, оказывают существенное влияние на скорость сгорания рабочей смеси, температуру и давление рабочего цикла. Антидетонационный эффект воды проявляется в результате охлаждения заряда рабочей смеси, цилиндра и его деталей (снижение теплонапряженности двигателя) и действия водяного пара как инертной среды на рабочий процесс в двигателе.

Добавка воды к бензину снижает тепловые нагрузки двигателя, повышает коэффициент наполнения и снижает содержание окислов азота в отработавших газах. Введение воды в количестве 10% от расхода топлива снижает требования двигателя к октановому числу бензина на 2--3 ед. Реализация подачи воды во впускной трубопровод с технической точки зрения не представляет особых трудностей, и автолюбители для подобных целей используют различные простейшие устройства. Например, подача пара из радиатора. Однако следует иметь в виду, что добавление воды к бензину дает эффект только в том случае, если двигатель автомобиля не доработан по тепловому режиму (слишком теплонапряжен), как это было на поршневых самолетах и автомобиле «Запорожец». Добавка воды к бензину, применяемому на современных автомобилях, только ухудшает их топливную экономичность.



2.2 Испаряемость бензина

Испаряемость бензина оценивается показателями фракционного состава и летучести (давление насыщенных паров, потери от испарения и склонность к образованию паровых пробок). Испаряемость бензина должна обеспечивать оптимальный состав топливовоздушной смеси на всех режимах работы двигателя независимо от способа ее приготовления. По способу приготовления смеси топлива с воздухом различают двигатели карбюраторные, в которых состав топливовоздушной смеси в основном задается конструкцией карбюратора, и инжекторные (с впрыском), вкоторых состав смеси регулируется электронной системой в зависимости от состояния двигателя и условий его работы. С испаряемостью бензина связаны такие характеристики двигателя, как пуск при низких температурах, вероятность образования паровых пробок в системе питания в летний период, приемистость автомобиля, скорость прогрева двигателя, а также износ цилиндро поршневой группы и расход топлива. Фракционный состав бензинов характеризуется температурами начала перегонки и выкипания: 10, 50, 90% объема бензина, конца кипения; объемом остатка в колбе и потери (%).

В последнее время чаще стали пользоваться объемами (%) испарившегося бензина при температуре 70, 100, 180 °С. Характеристику бензина по холодному запуску принято связывать с температурой перегонки 1910% бензинаили объемной долей (%) бензина, перегоняемого при 70 °С. Большинство современных автомобилей отличаются хорошей характеристикой по холодному запуску, и значимость этого показателя спецификации как фактора, ограничивающего запуск, несколько снизилась при условии достаточной испаряемости для прогрева и обеспечения управляемости при движении. Как характеристика прогрева, так и характеристика управляемости при движении в общем чувствительны к испаряемости средних фракций, обозначаемой в спецификациях температурной перегонки 50% бензина или объемной долей бензина, перегоняемого при 100 °С. Содержание тяжелых фракций бензина ограничивают, так как в определенных условиях эксплуатации они могут испаряться не полностью и попадать в цилиндры двигателя в жидком состоянии. При этом топливо в цилиндрах смывает масляную пленку, изза чего увеличивается износ, разжижается масло, повышается расход топлива. В спецификациях на автомобильные бензины предусмотрены ограничения на давление насыщенных паров, в зависимости от климатических условий. Эту физическую характеристику топлива рассматривают как фактор, влияющий на надежность работы топливной системы, а также на потери от испарения, загрязняющие атмосферу при хранении, транспортировании и применении бензина. В лабораторных условиях давление насыщенных паров определяют при температуре 37,8 °С и регламентированном соотношении паровой и жидкой фаз. Испаряемость топлива влияет на выбросы автомобилей, причем это влияние особенно проявляется при эксплуатации автомобиля в условиях холодной и жаркой погоды.

В холодную погоду низкая испаряемость увеличивает продолжительность запуска двигателя, и поскольку топливовоздушная смесь экстремально обогащена, то выбросы несгоревших углеводородов очень велики. Во время прогрева двигателя недостаточная испаряемость бензина приводит к обеднению смеси в начале ускорения, и, если автомобиль отрегулирован на режим, близкий к пределу обеднения, то могут возникнуть проблемы приемистости изза чередования периодов, когда топливовоздушная смесь находится за пределами диапазона воспламенения. В такие периоды увеличиваются выбросы несгоревших углеводородов и оксида углерода. Для автомобилей, имеющих воздушную заслонку с ручным управлением, проблемы приемистости могут быть смягчены путем усиленного дросселирования в течение продолжительного времени, но это приводит к еще большему обогащению смеси и, следовательно, к увеличению выбросов несгоревших углеводородов и оксида углерода. В жаркую погоду основная проблема заключается в образовании паровых пробок в результате испарения бензина в топливном насосе и в трубопроводах подачи топлива, что ограничивает подачу топлива в двигатель. Это приводит к обеднению смеси и ухудшению приемистости либо, в экстремальных условиях, к остановке двигателя. На автомобилях с карбюраторными двигателями высокая испаряемость может также привести к кипению топлива в поплавковой камере, вследствие чего в цилиндры поступает очень богатая топливовоздушная смесь и, как результат, увеличиваются выбросы оксида угле21рода и несгоревших углеводородов. Максимальную испаряемость можно контролировать одним из двух способов: -- максимальной температурой, при которой устанвливается отношение пар--жидкость, равное 20; -- индексом испаряемости или индексом паровых пробок (ИПП), который является функцией давления насыщенных паров и количества топлива в %, испарившегося при 70 °С.

ИПП=10ДНП + 7V70,

где ДНП -- давление насыщенных паров, кРа, V70 -- количество топлива, испаряющегося при 70 °С, % Последний способ регулирования максимальной испаряемости включен в ГОСТ Р 51105 97 и ГОСТ Р51866 2002. Согласно этих спецификаций все автомобильные бензины по испаряемости подразделяются на 5 и 10 классов соответственно. Применение бензина того или иного класса определяется климатическими условиями, а также особенностями автотранспорта.

2.3 Химический и углеводородный состав

Химический состав бензинов характеризуют групповым углеводородным составом, т. е. содержанием в них ароматических, олефиновых, нафтеновых и парафиновых углеводородов. Кроме углеводородов в бензине в незначительном количестве содержатся гетероатомные углеводородные соединения, которые включают серу, кислород и азот. Они попадают в бензин из перерабатываемой нефти, а кислородные соединения образуются в процессе окисления углеводородов при хранении бензина. Компоненты бензина Не содержат металлоорганичес ких соединений нефти, которые концентрируются, как правило, в высококипящих фракциях. С целью улучшения физико химических и эксплуатационных свойств автобензинов в их состав в ограниченных количествах вовлекают кислородсодержащие компоненты (простые эфиры и спирты), а также специальные антидетонационные присадки, в том числе и металлсодержащие . Для ограничения содержания антидетонационных присадок в спецификациях на бензины предусмотрены максимально допустимые концентрации свинца, марганца, железа. Ограничения на химический и углеводородный составы автомобильных бензинов:

А. Содержание серы. Увеличение содержания сернистых соединений в бензине приводит к повышению нагарообразования и износа деталей двигателя, старению моторного масла, а также оказывает существенное влияние на загрязнение окружающей среды как непосредственно -- выбросы оксидов серы, твердых частиц, так и косвенно -- снижение эффективности работы каталитического нейтрализатора отработавших газов.

Б. Содержание ароматических углеводородов и в первую очередь бензола. Повышение содержания ароматических углеводородов в бензине, как правило, ведет к соответствующему увеличению их в выбросах несгоревших углеводородов. Существенно менее отчетливо выражена эта связь с концентрацией канцерогенных полиароматических углеводородов: при увеличении ароматических углеводородов за счет использования толуола в бензине не отмечается увеличения выбросов бенз (альфа) пирена с отработавшими газами двигателя. Одним из однозначно установленных последствий повышения содержания ароматических углеводородов в бензине является увеличение выбросов в окружающую среду бензола. Проведенными исследованиями установлено, что существует линейная зависимость между содержанием бензола в бензине и его концентрацией во всех видах выбросов несгоревших углеводородов: отработавших газах, испарениях из топливной системы; при заправке автомобиля топливом. Для автомобилей, не оборудованных каталитическим нейтрализатором, основным источником выбросов бензола в атмосферу являются отработавшие газы (около 70%), меньшую роль играет поступление с испарениями (20%), в еще меньшей степени влияют потери при заправке (10%). Экспериментальные оценки показали, что общая эмиссия бензола увеличивается примерно на 2 мг/км на каждый процент увеличения объемного содержания бензола в бензине. Содержание бензола в отечественных автобензинах не должно превышать 5,0 % об. Содержание бензола в основных компонентах: стабильном катализате риформинга 2,0 -- 7,0% об., бензине каталитического крекинга 1,0 -- 3,5% об., бензине прямой перегонки 0,5 -- 1,5% об. Уменьшить содержание бензола в вырабатываемых автобензинах можно следующими путями:

1. Вырезкой из бензина каталитического риформинга фракции 60--85 °С, содержащей более 20% бензола, с последующим использованием ее для получения бензола. При этом содержание бензола в товарных бензинах уменьшается почти в три раза, а октановая характеристика бензина риформинга после выделения фракции 60--85 °С повышается на 1-- 1,5 ед.

2. Увеличение доли в составе товарных бензинов высокооктановых компонентов, не содержащих бензол: алкилата, изомеризатов, оксигенатов (спиртов, эфиров и т. д.), а также применение не токсичных антидетонаторов.

3. Подбор сырья и снижение жесткости процесса риформинга, экстракция, а также селективное гидрирование бензола в циклогексан или алкилирование бензола в алкилароматические углеводороды. Возможно сочетание нескольких вариантов, исходя из особенностей НПЗ, наличия сырья, концепции переработки и интеграции с химическим производством. Суммарное содержание ароматических углеводородов контролируется при проведении квалификационных испытаний и не должно превышать 55% об.

В. Содержание олефиновых углеводородов. Максимальное содержание олефиновых углеводородов в товарных автобензинах не должно превышать 18%, так как они являются основным источником образования смолистых веществ в бензине. Увеличение содержания олефиновых углеводородов также влияет на повышение эмиссии в окружающую среду озонообразующих веществ и токсичных диеновых соединений с отработавшими газами.

Г. Содержание оксигенатов (общее по концентрации кислорода и по отдельным спиртам и эфиром). Оксигенаты имеют высокую детонационную стойкость, что позволяет заменять ими ароматическое углеводороды, к тому же они способствуют снижению токсичности отработавших газов автомобилей. Однако при содержании в бензине оксигенатов более 2,7% по кислороду наблюдается увеличение массового и удельного расхода топлива изза низкой теплоты сгорания оксигенатов, а также потеря мощности двигателем автомобиля. Поэтому из экологических предпосылок содержание оксигенатов в бензине должно составлять 2,0 -- 2,7% по кислороду. 25 3--Все о топливе26 В спецификациях на автомобильные бензины введены также нормы на максимальное содержание отдельных оксигенатов.

2.4 Вязкость и плотность

Вязкость -- один из важнейших показателей качества моторного топлива. От вязкости зависит надежность работы топливной аппаратуры, возможность использования топлива при низких температурах, противоизнос ные свойства, процесс испарения и сгорания топлива. Различают динамическую и кинематическую вязкость. Динамическая вязкость измеряется в пуазах, а единицей климатической вязкости является стоке (см2/с). Вязкость бензина зависит от его химического и фракционного состава. При увеличении содержания ароматических и нафтеновых углеводородов и утяжелении фракционного состава топлива его вязкость возрастает. В настоящее время вязкость автомобильных бензинов в спецификациях не нормируется. Вязкость автобензинов зависит от температуры, при которой они находятся. С понижением температуры и повышением давления вязкость бензинов возрастает. Для определения вязкости используют приборы, которые называются вискозиметры. Плотность является как физической характеристикой бензина, так и эксплуатационным показателем: при пересчете объема и массы бензина на местах производства, потребления, при транспортировании, а также при определении топливной экономичности, запаса хода, установления конструктивных и регулировочных параметров узлов и агрегатов. По плотности можно ориентировочно судить и об углеводородном составе бензина, поскольку значения 27 ее для различных групп углеводородов различны. Так, для фракций с одинаковыми температурами начала и конца кипения плотность наименьшая, если они состоят из парафиновых углеводородов, и наибольшая, если содержат в основном ароматические углеводороды. Методы определения плотности основаны на измерении массы единицы объема топлива. В спецификациях на автобензины плотность нормировалась при температуре 20 °С, а в настоящее время осуществлен переход на нормирование при температуре 15 °С. Наиболее быстро плотность бензина можно определить с помощью ареометра; наиболее точно и удобно -- бикапиллярным пикнометром.

2.5 Химическая стабильность

Химическая стабильность бензина характеризует его способность противостоять окислению и химическим изменениям при длительном хранении, транспортировании и применении в двигателе (в системе питания). Химическая стабильность бензинов прежде всего связана с наличием в их составе непредельных углеводородов, которые характеризуются повышенной склонностью к окислению. Наиболее склонны к окислению углеводороды, имеющие сопряженные двойные связи, особенно циклические. Мало устойчивы против окисления и ароматические углеводороды с двойной связью в боковой цепи. С разветвлением молекулы олефина и при приближении двойной связи к ее середине стабильность оле финов понижается. Углеводороды (диены) с удаленными друг от друга двойными связями по стабильности приближаются к олефинам. Под влиянием температуры, кислорода, воздуха, каталитического воздействия металлов (свинца и др.) они быстроокисляются и по лимеризуются с образованием смолистых веществ и кислот. Образование смолистых веществ в результате окисления непредельных углеводородов под воздействием кислорода воздуха при обычных температурах проходит ряд промежуточных стадий. Первичными продуктами окисления углеводородов являются гидропероксиды -- соединения мало устойчивые и склонные к быстрому превращению по различным направлениям в зависимости от условий окисления. При низких температурах, характерных для хранения бензинов, гидропероксиды в основном взаимодействуют с исходными углеводородами с преимущественным образованием спиртов, которые, окисляясь, образуют альдегиды, кетоны и кислоты, которые, в свою очередь, претерпевают дальнейшие изменения.

Наряду с этим гидропероксиды непредельных углеводородов способны полимеризоваться и инициировать реакции полимеризации непредельных углеводородов, приводя к образованию смолистых веществ. В начальной стадии окисления содержание в бензине смолистых веществ незначительно, и они полностью растворимы в нем. По мере дальнейшего окисления количество смолистых веществ возрастает, строение их усложняется и растворимость в бензине снижается. На некоторой стадии окисления бензина растворимость смолистых веществ падает настолько, что они выпадают из топлива и осаждаются на стенках и дне емкостей, трубопроводов или баке и топливной системе автомобиля. Склонность автомобильных бензинов к смолообразованию зависит от температуры: резко возрастает с ее повышением, от поверхности соприкосновения бензинов с воздухом и металлами, от интенсивности обмена воздуха, а также от каталитического воздействия металлов. Сильное воздействие на химическую 28 стабильность бензина оказывают медь и ее сплавы. Металл может попасть в бензин непосредственно из нефти при ее переработке, при контакте с металлическими поверхностями при транспортировании и перекачках, от остатков химических реагентов, применяемых при вторичных процессах переработки. Большинство металлов, обладая каталитической способностью, уменьшают индукционный период, увеличивают образование смолистых отложений. Для повышения химической стабильности автомобильных бензинов в их состав добавляют антиокислители и деактиваторы металлов. Химическую стабильность характеризуют следующими показателями:

-- индукционный период;

-- содержание фактических смол;

-- сумма продуктов окисления;

-- кислотность.

Кислотность и содержание фактических смол характеризуют содержание в бензине конечных продуктов окисления на момент их определения. По ним можно судить о запасе качества бензина, т. е. о разнице между допустимым и фактическим содержанием продуктов окисления. Индукционный период и сумма продуктов окисления характеризуют скорость окисления бензинов в процессах хранения и применения. Индукционный период -- наиболее распространенный стандартный показатель стойкости бензина против окисления. Метод определения индукционного периода основан на определении времени, в течение которого бензин, находящийся в среде кислорода при повышенных давлении и температуре, практически не подвергается окислению. Содержание фактических смол определяют методом, основанным на испарении бензина в струе воздуха. При этом в остатке остаются не только присутствующие в бензине, но и вновь образую29щиеся при испытании смолистые вещества. Образующийся осадок промывается н гептаном и после промывки взвешивается. Химическая стабильность по сумме продуктов окисления оценивается по содержанию высокомолекулярных (растворимых и нерастворимых) продуктов окисления бензина, окисленного в регламентированных условиях. Метод заключается в окислении испытуемого образца бензина кислородом воздуха при температуре 110 °С в течение 6 часов под давлением насыщенных паров испытуемого бензина и в последующем определении суммарного содержания образовавшихся смол и осадка. Кислотность бензинов определяют методом, основанным на реакции нейтрализации органических кислот спиртовым раствором щелочи.

2.6 Коррозионная активность и защитные свойства

Автомобильные бензины должны быть химически нейтральными и не вызывать коррозию металлов емкостей, а продукты их сгорания -- коррозию деталей двигателя. Коррозионная активность бензинов и продуктов их сгорания зависит от содержания общей и меркапта новой серы, кислотности, содержания водорастворимых кислот и щелочей, присутствия воды. Эти показатели нормируют в спецификациях на автобензины. Присутствие активных сернистых соединений в бензине определяют испытанием на медной пластинке. Все сернистые соединения, содержащиеся в бензине, по коррозионному воздействию на металлы при обычных температурах подразделяют на соединения «активной серы» и соединения «неактивной серы». В первую группу входят сероводород, свободная сера 30 и меркаптаны, т. е. соединения, которые могут вступать в химическое взаимодействие с металлами при обычных температурах. Остальные сернистые соединения относят ко второй группе. Проба на медную пластинку довольно чувствительна для определения содержания в бензинах сероводорода и свободной серы. При отрицательной пробе содержания сероводорода в бензине не превышает 0,0003%, а свободной серы -- 0,0015%. Меркаптаны могут присутствовать в значительном количестве даже в тех бензинах, которые дают отрицательную пробу на медную пластинку. Содержание мер каптановой серы в товарных бензинах не должно превышать 0,001%. Кислотность автомобильных бензинов А 76 не должна превышать 1 мг КОН/мл. Водорастворимые кислоты и щелочи являются случайными примесями бензина. Чаще всего в бензинах может присутствовать щелочь после щелочной очистки из за недостаточной отмывки ее водой. Щелочи корродируют алюминий, поэтому присутствие их в бензинах недопустимо. Попадание в бензин водорастворимых кислот, в частности сульфокислот, образующихся при глубоком окислении некоторых сероорганических соединений, вызывает сильную коррозию металлов. Введение в состав бензинов спиртов и эфиров повышает их гигроскопическую и коррозионную активность. При попадании влаги в бензины коррозия металлов приобретает электрохимический характер, и скорость ее резко возрастает. Спецификацией на бензины предусмотрено отсутствие в нем воды.

Однако вода в бензине может находиться в растворенном состоянии, а также попадать в топливные емкости и накапливаться в них в свободном состоянии. Количество воды, находя31щейся в свободном состоянии, зависит от условий транспортирования и хранения. Поэтому для надежной эксплуатации техники, резервуаров хранения и средств перекачивания бензинов важно, чтобы они не только сами не были агрессивными, но и обладали способностью уменьшать скорость электрохимической коррозии (защитные свойства) в системе топливо--металл--вода. Для оценки защитных свойств бензинов используют два показателя: коррозионная активность в условиях конденсации воды и коррозионная активность в присутствии дистиллированной или морской воды. В первом случае определяют потери массы стальной пластины за время испытаний в регламентированных условиях; во втором -- визуальное определение доли поверхности стального стержня, пораженной коррозией. Эффективным средством защиты от коррозии топливной аппаратуры и резервуаров для хранения является добавление в бензины специальных антикоррозионных присадок.

2.7 Совместимость с неметаллическими материалами: резинотехническими изделиями, уплотнениями, фильтрующими элементами и т.д.

Автомобильные бензины не должны оказывать отрицательного влияния на материалы, с которыми они контактируют в процессе изготовления, транспортирования, хранения и применения. При воздействии бензинов на резины, уплотнения и другие материалы они могут набухать, растрескиваться, терять свои прочностные характеристики и разрушаться. 32 Агрессивное воздействие топлива на резины и герметики в основном связано с вымыванием из них антиокислителя и дальнейшем разрушением, обусловленным образованием пероксидов при окислительных процессах, происходящих в самом топливе. В связи с этим совместимость бензинов, содержащих оксигенаты, с резинотехническими материалами оценивают по результатам непосредственного их воздействия на резины. Сущность контроля сводится к определению сохранения за время испытаний свойств образцов резинотехнических материалов и чистоты топлива. Изменение физико химических свойств резин под воздействием бензинов определяют по следующим показателям: -- изменение объема образца; -- изменение относительного удлинения при разрыве; -- изменение прочности образца при растяжении и твердости по Шору. Испытания на совместимость бензинов с резинотехническими материалами проводят при постановке их на производство (см. комплекс методов квалификационной оценки автомобильных бензинов).



3. Марки и ГОСТы

В России существуют определенные стандарты по выпуску бензина:

Технический регламент таможенного союза «О требованиях к автомобильному и авиационному бензину, дизельному и судовому топливу, топливу для реактивных двигателей и мазуту» ТР ТС 013/2011

ГОСТ 2084-77

ГОСТ Р 51105-97

ГОСТ Р 51313-99

ГОСТ Р 51866-2002

Октамновое числом -- показатель, характеризующий детонационную стойкость топлива (способность топлива противостоять самовоспламенению при сжатии) для двигателей внутреннего сгорания. Число равно содержанию (в процентах пообъёму) изооктана (2,2,4-триметилпентана) в его смеси с н-гептаном, при котором эта смесь эквивалентна по детонационной стойкости исследуемому топливу в стандартных условиях испытаний.

АИ-95

Эта марка бензина почти во всем соответствует топливу Экстра АИ-95, единственное их различие -- это то, что АИ-95 содержит свинца на 30% больше.

АИ-93

Это топливо обычного качества. АИ-93 бывает неэтилированный и этилированный. Неэтилированный бензин готовят на основе бензина каталитического риформинга жесткого режима, добавляя туда бутан-бутиленовую фракцию, изопентан и алкилбензин. Также он содержит в себе антидетонационные присадки.

АИ-93

Эта марка топлива содержит в себе антидетонационные присадки, бензин обычного качества неэтилированный с содержанием свинца с ненормированной плотностью.

АИ-92

Бензин марки АИ 92 один из самых распространенных в России и Украине, бензин обычного качества с антидетонационными присадками, производится как неэтилированный, так и этилированный. Имеет плотность не больше 0,77г/смА-923.

А-80

Бензин фактически с теми же показателями, что и А-92. Только плотность тут не больше 0,755г/смА-803.

АИ-76

Эта марка топлива содержит в себе продукты каталитического и термического крекинга, пиролиза и коксования, а также прямогонный бензин и антидетонационные, антиокислительные присадки. Это распространенная марка бензина для использования в сельском хозяйстве. Производят А-76 неэтилированный и этилированный с ненормируемой плотностью.

ГОСТ Р 51866-2002.

Настоящий стандарт распространяется на неэтилированные бензины, поставляемые на экспорт и российский рынок и предназначенные для использования в качестве моторного топлива на транспортных средствах с бензиновыми двигателями, сконструированными для работы на неэтилированном бензине. Бензин не должен содержать металлоорганические присадки. Настоящий стандарт устанавливает следующие марки бензинов - Премиум Евро-95 и Супер Евро-98 и их виды: I - код ОКП 02 5116; II - код ОКП 02 5117; III - код ОКП 02 5119. Пример условного обозначения продукции при заказе и в технической документации: "Бензин неэтилированный Премиум Евро-95 (Супер Евро-98) вид I, ГОСТ Р 51866-2002"; "Бензин неэтилированный Премиум Евро-95 (Супер Евро-98) вид II, ГОСТ Р 51866-2002"; "Бензин неэтилированный Премиум Евро-95 (Супер Евро-98) вид III, ГОСТ Р 51866-2002".